基于MEMS技术的微波滤波器研究进展

K. Entesari 等人[14]利用MEMS 电容式开关和微带线，在玻璃衬底上制作了小型化4 位数字可调滤波器( 图6) 。为了实现高的调谐分辨率，将电容式MEMS 开关与高Q 值MAM电容相串联形成电容库。器件在6.5~10 GHz 频段实现了数字调谐，较多MEMS 开关的使用使得其滤波特性又接近于连续可调。在整个调谐范围内，滤波器的相对带宽为(5.1±0.4) %，回波损耗优于16 dB，插入损耗在9.8GHz、6.5 GHz 时分别为4.1 dB 和5.6 dB。滤波器的整体尺寸为5 mm×4 mm。

图6 玻璃衬底上的6.5~10 GHz 频段数字可调滤波器

利用两个λ/4 共面波导谐振器，E. Fourn 等人[15]还设计了一种两阶数字可调带通滤波器。谐振器与终端开路的短截线间的可变串联电容由悬臂梁式MEMS 开关实现。当悬臂梁被下拉的时候，由于谐振器的电容部分发生改变，谐振频率也发生变化。MEMS 开关处于上拉状态时，滤波器中心频率是21.05 GHz，3 dB 带宽为14%，插入损耗为3.5 dB；当开关下拉时，中心频率移到18.5 GHz，3 dB 带宽为13%，插入损耗为3.8 dB。

以上MEMS 可调滤波器，由于仅用一种可变容性电抗元件来达到频率调谐的目的，可调电感无法同时实现，也未能充分利用基于CPW周期性结构的微波/毫米波的慢波特性，因此其可调范围有限。J. H. Park 等人[16]报道了一种利用分形自相似结构来实现的低损耗可重构低通滤波器，将通带频段推向了毫米波段，它是通过同时利用可调电感和电容实现的。该滤波器基于20 世纪80 年代美国科学家B. B. Mandelbrot 提出的分形理论，是一种按比例缩小/放大的自相似结构，从而达到多频段上实现可重构滤波的目标。图7 是制作的利用可调电感和电容获得的RF MEMS 可调低通滤波器。该滤波器采用单一驱动的多触点MEMS 开关实现滤波器重构的控制，使总的开关数目得以减小，也有效地降低了器件的插入损耗，并使得器件的整体尺寸得以减小。制备的滤波器3 dB 截止频率从67 GHz重构到28 GHz。

图7 分形可重构低通MEMS 滤波器

另外，通过将传输线谐振器做成“U”形以减小器件尺寸，A. Ocera 等人[17]制作了新颖的MEMS可调发夹线型滤波器，如图8。该滤波器制作在525 μm 厚的高阻硅衬底上，通过10 个欧姆接触式MEMS 悬臂梁开关给发夹型滤波器的谐振器U 型分支增加传输线长度，来改变谐振器的开路短截线的长度，从而得到滤波器谐振频率的可调。滤波器在6.2 GHz 频率上有15%的带宽，并有着10%的调节范围，插入损耗和回波损耗分别为4.5 dB 和17 dB。

图8 MEMS 可调发夹型数字可调滤波器

除了上面的单刀单掷MEMS 开关实现的MEMS可调滤波器外，也有单刀多掷MEMS 开关实现的MEMS 可调滤波器的报道。I. C. Reines 等人[ 18]利用单刀三掷开关设计了Ku 波段开关型可调带通滤波器。滤波器可调中心频率分别为14.9、16.2、17.8 GHz，在中间频段插入损耗小于2 dB，带宽约7.7%，三个频段的回波损耗优于10 dB。另外，为了适应复杂环境( 例如要求高的隔离度) ，B. Pillans等人[19]设计制作了级联的低通和高通滤波单元，实现了中心频率和带宽均可调的带通滤波器。滤波器在6~15 GHz 内实现了可调，带外衰减快( 40 dB/GHz) ，隔离度大于50 dB。但它的插入损耗较大( 4~11 dB) 。

4、结语

基于MEMS 技术的滤波器是现在RF 系统中的一个关键MEMS 器件。借助于MEMS 加工技术的进步及与射频/微波技术的结合，MEMS 滤波器的研究得到了快速的发展。MEMS 滤波器从RF 到毫米波段有很高的Q 值、插入损耗低、线性好，适应现代日益复杂的RF 环境要求。其中，可调MEMS 滤波器的开发，有着更为迫切的现实意义，它有利于开发可调谐的收发模块，以改善多信道收发系统的性能，从而为新一代无线通信系统的开发起着不可或缺的积极作用。

作者：欧阳炜霞、张永华、王超、郭兴龙、赖宗声，华东师范大学微电子电路与系统研究所